Древесина

Древесина

Древесина, ксилема — комплекс тканей растения, проводящих воду и раствор, в ней минер, соли. Д., продукт лесов, — ценное сырье и строит, материал, запасы к-рого могут возобновляться после его рацион, заготовок. Леса Сибири и Дальнего Востока, площадь к-рых составляет около 500 млн га — гл. часть лесных ресурсов страны. Экономически более целесообразно снабжать потребителей Д. в виде конструктивных материалов (пиломатериалы, заготовки, готовые изделия, конструкции), а не круглым лесом. При лесозаготовках и обработке Д. образуется большое кол-во отходов, эффективное использование к-рых имеет большое хоз. значение и позволяет существенно экономить деловую Д.

Различают хвойные и лиственные породы Д. Наиболее важными лесообразую-щими породами являются хвойные, к-рые имеют преобладающее значение в народном х-ве страны, их Д. обладает высокими технич. св-вами (сосна, ель, лиственница, пихта и кедр). Древесина сосны имеет среднюю плотность, достаточно высокую прочность и биостойкость, хорошо поддается обработке. Ель более сучковата и неск. уступает сосне по осн. технич. св-вам. Лиственница — самая распростран. порода Д., обладает высокой плотностью, прочностью, биостойкостью, малосучковата, имеет красивую текстуру. Однако ее Д. легко растрескивается при сушке, труднее обрабатывается на станках. Применяется в гид-ротехнич. сооружениях, домостроении, в виде шпал, рудничной стойки, в произ-ве фанеры, мебели, паркета и пр.

Лиственные породы Д. занимают примерно 1 /4 площади лесов нашей страны. Их значение возрастает для р-нов центра европейской части страны, где после рубки вместо хвойных появляются мягко-лиственные породы (береза, осина и др.). Д. березы отличается сравнительно высокой прочностью, твердостью, ударной вязкостью, но низкой биостойкостью. Широко применяется для произ-ва лущеного шпона, фанеры и древесных слоистых плит, целлюлозы, паркета. Осина легко лущится, пропитывается, используется в сельском стр-ве (колодцы, погреба и т.п.).

Осн. твердолиственной породой Д. является дуб. Его Д. характеризуется высокой прочностью и биостойкостью, способностью к загибу, красивой текстурой и цветом; применяется в виде паркета, строганого шпона для отделки изделий, для изготовления мебели. Д. бука имеет высокую прочность, красивую текстуру, хорошо гнется, но обладает низкой биостойкостью. Она находит многообразное применение (строганый шпон, паркет, гнутая мебель, детали машин и др.).

Инж. строит, конструкции и сооружения выполняют в основном из Д. хвойных пород (сосна, ель, лиственница). Эти породы обладают прямослойностью, высокими механич. св-вами и стойкостью против загнивания.

Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб) в конструкциях применяют только для изготовления мелких ответств. соединит, деталей. Березовая Д. в осн. идет на изготовление клееной фанеры и слоистых пластиков.

Мягкие лиственные породы (осина, тополь, ольха) используют для изготовления малоответств. элементов врем, зданий и сооружений.

Представление о строении Д. дает поперечный разрез ствола. Камбий в растущем дереве обеспечивает прирост Д. и коры. Д. большинства пород имеет светлую заболонь, прилегающую к коре и темноок-раш. ядро в центр, части. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной Д. в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается.

На поперечном разрезе ствола, особенно хвойных пород деревьев, хорошо заметны концентрич. слои, окружающие сердцевину, к-рые наз. годовыми (годичными), т.к. они представляют собой годичный прирост Д. Годичный слой состоит из более широкого и светлого мягкого раннего слоя Д., обращ. в сторону сердцевины, и более узкого темного твердого слоя поздней (летней) Д., обращ. к коре. Ширина слоев колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе. Плотность и прочность Д. зависят от относит, содержания в ней поздней Д., к-рое у сосны, напр., составляет 10—30%.

Древесина хвойных пород имеет трубчато-во-локнистое строение. Осн. ее элементами являются трахеиды, составляющие св. 90% ее общего объема. Они представляют собой полые клетки длиной 3 мм сильно удлин. четырехгр. формы с утолщением и одревесненными оболочками, располож. правильными радиальными рядами. Среднее отношение длины трахеид к их размерам в поперечном направлении составляет 50—60.

Древесина лиственных пород имеет более сложное строение и состоит из большого числа разных элементов, сохраняя радиальное направление только сердцевинных лучей. В ее состав входят гл. обр. проводящие элементы — сосуды и трахеиды, а также волокна либриформа, занимающие до 75% общего объема Д. и имеющие толстые одревесненные (пропитанные лигнином) оболочки.

Содержание органич. в-в в Д. хвойных пород, %: целлюлоза — 48—56, лигнин — 26—30, гемицеллюлоза — 23—26. Для лиственных пород эти показатели соответственно составляют 46—48, 19—28 и 26—35%.

Влажность Д. оказывает значит, влияние на ее физ.-мех. св-ва. Д. содержит свободную или капиллярную (в полостях клеток и межклеточном пространстве) и связ. или гигроскопич. (в оболочках клеток) влагу. Пределом гигроскопичности (точкой насыщения) волокон наз. состояние, при к-ром в Д. содержится макс, кол-во связанной влаги, а свободная влага отсутствует. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при темп-ре 20 °С, составляет 30%. Большинство св-в Д. зависит от содержания связ. влаги, изменение к-рого вызывает соответствующее изменение линейных размеров и объема Д. — усушку при уменьшении влажности и разбухание при ее увеличении.

Вследствие разницы значений усушки Д. относительно годичных слоев (поперек 3—5%, параллельно 6—10%) происходит поперечное коробление пиломатериалов и заготовок. В процессе сушки Д. из-за неравномерного удаления влаги возникают внутр. напряжения, приводящие к растрескиванию изделий и появлению наружных и внутр. трещин радиального направления.

Осн. физ. св-ва Д. характеризует плотность, к-рая обусловлена трубчато-волокнистым строением и зависит от относит, объема пустот, содержания в них влаги и воздуха. Плотность Д. устанавливается при относит, влажности 12% и составляет, кг/м , для: свежесрубленной сосны или ели —850; конструкций, эксплуатируемых в помещениях с норм, влажностью воздуха — 500; то же, в помещениях с влажностью воздуха более 75% и на открытом воздухе — 600.
Темп-рные деформации Д. незначительны и обычно в расчетах не учитываются. Коэф. линейного расширения Д. вдоль и поперек волокон составляют (3—5)"10" и (7—11)10" соответственно. Теплопроводность Д. мала, что обусловлено пористым строением: поры, наполненные воздухом, являются плохим проводником тепла. Малая теплопроводность Д. в поперечном направлении позволяет использовать ее как для несущих, так и для ограждающих конструкций отапливаемых зданий.

Высокая уд. прочность Д. (отношение предела прочности к плотности) позволяет возводить сооружения пролетом 100— 300 м. Д. — микропористый материал с высокими сан.-гигиенич. и теплоизоляц. показателями. Она сохраняет свои св-ва в средах со слабой степенью агрессивности хим. воздействия. Д. стойко выдерживает ударные и циклич. нагрузки, что обеспечивает ей высокую сейсмостойкость. Являясь диэлектриком, она обладает в воздушно-сухом состоянии электроизолирующими св-вами и немагнитна.

Склеивание соврем, клеями позволяет получать клеедеревянные элементы крупных сечений большой длины и разл. формы.

Древесина как конструкц. материал обладает рядом недостатков. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации она загнивает, но соврем, средства защиты способны обеспечить долговечность дерев, конструкций (см. Антисептики). Д. является сгораемым материалом. Однако соврем, дерев, конструкции из элементов крупных сечений имеют предел огнестойкости выше др., напр., металлич. конструкций, и могут быть дополнительно защищены спец. в-вами и препаратами (см. Антипирены).

К механич. св-вам Д. относятся прочность, жесткость и твердость. Прочность Д. зависит от направления действия усилий, напр., при действии вдоль волокон средний предел прочности Д. сосны без пороков составляет, МПа: при растяжении — 100, при изгибе — 75 и при сжатии — 40. При действии усилий поперек волокон аналогичные показатели не превышают 6,5 МПа. Неоднородность строения, наличие ограниченно допустимых пороков (трещины, сучки, косослой) зна-% чительно снижают прочность Д. при сжатии и изгибе (до 30%) и при растяжении (до 70%).

Длит, воздействие нагрузки снижает показатель прочности Д., получ. при стандартном кратковрем. нагружении, почти в 2 раза. Прочность, в 1,5 раза превышающую кратковременную, Д. имеет при кратчайших взрывных и ударных нагрузках. Вибрац. нагрузки снижают прочность Д. до 0,2 от величины статич. предела прочности. Величина коэф. поглощения энергии колебания Д. при расчетах конструкций принимается 0,3—0,35.

Жесткость Д. — степень деформа-тивности при действии нагрузок. Различают упругие, эластичные и остаточные деформации. Этот показатель определяется модулем упругости Е и принимается для конструкций, эксплуатируемых в норм, температурно-влажностных условиях равным 10 МПа, при повыш. влажности и на открытом воздухе он снижается на 10— 25%. Модуль упругости Д. при действии нагрузок поперек волокон в 50 раз меньше. Коэф. поперечной деформации для разных пород и направлений волокон колеблется в пределах 0,02—0,8.

Твердость Д. — степень сопротивления внедрению наконечника (индентора) в виде стальной полусферы радиусом 5,64 мм. Для Д. сосны нагрузка, требуемая для вдавливания наконечника поперек годичных слоев, составляет 1 кН. Малая твердость Д. облегчает ее обработку, а волокнистое строение — использование для креплений металлич. гвоздей и шурупов.

Мн. механич. показатели Д. могут быть улучшены путем ее модификации полимерами (повышение плотности, прочности, жесткости в увлажн. среде).
Д. является анизотропным материалом, поэтому показатели прочности определяют для разных структурных направлений — вдоль и поперек волокон.
Механич. испытания Д. на прочность проводят на чистых (без пороков) малых образцах сечением 20x20 мм, т.к. большое влияние на величину предела прочности Д. оказывают размеры образца (масштабность) : у крупных образцов она снижается за счет влияния естеств. пороков (сучки, трещины, косослой). Влияние на прочность Д. оказывает связанная влага, содержащаяся в клеточных стенках в промежутках между волоконцами (микрофибриллами). Изменение кол-ва связанной влаги меняет прочность сцепления между волоконцами и соответственно предел прочности Д., поэтому показатели прочности Д. приводят к стандартной влажности 12 %, а сами испытания проводят при влажности, близкой к стандартной. На показатели механич. св-в Д. влияет продолжительность действия нагрузок, поэтому при проведении механич. испытаний придерживаются определ. скорости нагруже-ния для каждого вида испытания.

Прочность на растяжение. Испытания стандартных образцов из Д. на растяжение вдоль волокон проводят на образцах с тонкой рабочей зоной. Переход от массивных головок, к к-рым "прикладывается испытат. нагрузка, к рабочей зоне выполняют плавным. Испытат. нагрузку увеличивают равномерно со скоростью, обеспечивающей разрушение образца в течение 1,5—2 мин (скорость 150 + 40 Н/мин). Образец доводят до разрушения и устанавливают значение макс, нагрузки. Величину предела прочности подсчитывают с точностью до 1 МПа.

Предел прочности Д. на растяжение вдоль волокон незначительно зависит от ее влажности (поправочный коэф. на влажность 0,01), но резко снижается при любом отклонении волокон от направления продольной оси образца. Для всех пород средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон принимается 100 МПа. Однако в реальных конструкциях эта величина снижается из-за наличия источников концентрации напряжения в виде отверстий и всякого рода врезок, а также возможного косослоя.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон для всех пород в среднем составляет 5% предела прочности при растяжении вдоль волокон (6,5 МПа). Поэтому при конструировании стремятся исключить возникновение растягивающих усилий, направл. поперек волокон. Этот показатель важен при разработке интенсивных режимов сушки и резания Д.

Прочность на сжатие. Сжатие вдоль волокон — наиболее распростран. вид испытаний. Показатели этого осн. сева Д. определяют на образцах, выполненных в виде прямоугольной призмы с основанием 20x20 мм и высотой 30 мм. Испытания проводят с помощью спец. приспособления, равномерно нагружая образец до разрушения в течение 0,5—1,5 мин (скорость 250 ± 50 Н/мин). Разрушение устанавливают по резкому отклонению стрелки силоизмерителя машины в обратном направлении. Величину предела прочности подсчитывают с точностью до 0,5 МПа.

После испытания устанавливают влажность мин. кол-ва произвольно выбранных образцов и пересчитывают показатели прочности к стандартной влажности. Для всех пород поправочный коэф. на влажность принимают 0,04. Предел прочности Д. при сжатии вдоль волокон в значит, степени зависит от влажности. Для всех пород средняя величина предела прочности при влажности 12% принимается 50 МПа, что позволяет шнЬеко использовать дерев, элементы и конструкции, работающие на сжатие.

Прочность Д. при сжатии поперек волокон ниже, чем вдоль волокон в 8 раз, что связано с ее анизотропным состоянием.

Прочность при изгибе. Испытания образцов Д. на поперечный изгиб при статич. действии нагрузки — один из важнейших видов испытаний. Механич. испытания проводят на прямоугольных образцах квадратного сечения размером 20x20x300 мм (последний размер по длине волокон), к-рые располагают на двух шарнирных опорах. Испытат. нагрузку прикладывают в третях пролета со скоростью 70 +15 Н/мин до момента отклонения стрелки силоизмерителя в обратную сторону. Величину предела прочности вычисляют с точностью до 1 МПа. Предел прочности Д. при поперечном изгибе зависит от ее влажности. Поправочный коэф. для всех пород принимают 0,04. Для определения влажности используют пробы Д., взятые вблизи излома.

При изгибе верхние слои образца испытывают сжимающие, а нижние — растягивающие напряжения. Причем разрушение начинается с образования почти невидимых складок в сжатой зоне, прочность на сжатие заметно уступает прочности Д. на растяжение вдоль волокон. Окончат, разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон и полном изломе образца. При высокой прочности образца излом получается за-щепистый, а при низкой — почти гладкий с небольшими тупыми выступами. В среднем для всех пород прочность при поперечном изгибе составляет 100 МПа. Вследствие высокой механич. прочности Д. при изгибе в строит, практике расширяется применение дерев, элементов и конструкций, работающих в условиях поперечного изгиба, либо совместного действия сжимающих и изгибающих усилий.

Реже встречаются случаи поперечного изгиба, когда волокна Д. направлены не вдоль, а поперек оси элемента. В этом случае предел прочности при изгибе составляет для Д. хвойных пород 4—5% предела прочности при обычном изгибе.

Прочность при сдвиге. Разрушение при сдвиге образцов вследствие анизотропии св-в древесины может происходить в виде скалывания вдоль волокон либо скалывания поперек волокон и перерезания Д. поперек волокон. Скалывание вдоль волокон в тангенциальной плоскости, т.е. разрушение Д. от сдвига по тангенциальной плоскости, параллельной ее волокнам, рекомендуется как наиболее распростран. вид испытания механич. св-в. К образцу, имеющему с одной стороны выступающую укороч. часть, в спец. приспособлении прикладывают испытат. нагрузку. Само приспособление со вставл. образцом устанавливают на шаровую опору испытат. машины. Нагружение производят в течение 0,5—1,5 мин со скоростью 40 ± 10 Н/мин. По шкале силоизмерителя определяют макс, разрушающую нагрузку и подсчитывают предел прочности с точностью до 0,1 МПа. Предел прочности пересчитывают к стандартной 12%-й влажности, используя для всех пород поправочный коэф. 0,03. Прочность Д. при скалывании вдоль волокон у хвойных пород примерно в 1,6 раза ниже, чем у лиственных. Предел прочности при скалывании вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон и составляет примерно 20% прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности Д. при перерезании поперек волокон в 4 раза выше прочности при скалывании вдоль волокон. Примерами работы Д. на скалывание вдоль волокон могут служить лобовые врубки стропильных ферм, поперек волокон — шпунтовые и шпоночные соединения, на перерезание волокон — нагельные соединения.

Навигация:
Главная → Все категории → d1

Строй-справка.ру

Отопление, водоснабжение, канализация

Статьи по теме:

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум